Micro-onduleur solaire

Un micro-onduleur solaire, ou simplement un micro-onduleur, est un dispositif plug-and-play utilisé en photovoltaïque, qui convertit le courant continu (DC) généré par un seul module solaire en courant alternatif (AC).

La sortie de plusieurs micro-onduleurs peut être combinée et souvent envoyée au réseau électrique.

Les micro-onduleurs contrastent avec les onduleurs solaires à cordes et centraux conventionnels, qui sont connectés à plusieurs modules solaires ou panneaux du système photovoltaïque.

Les micro-onduleurs présentent plusieurs avantages par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le principal avantage est que de petites quantités d’ombrage, de débris ou de lignes de neige sur un module solaire, voire une défaillance complète du module, ne réduisent pas de manière disproportionnée la sortie de l’ensemble du réseau. Chaque micro-onduleur récupère une puissance optimale en effectuant un suivi du point de puissance maximum (MPPT) pour son module connecté. La simplicité de la conception du système, la réduction des fils d’ampérage, la gestion simplifiée des stocks et la sécurité accrue sont d’autres facteurs de la solution de micro-onduleur.

Les principaux inconvénients d’un micro-onduleur comprennent un coût initial d’équipement par watt de pointe supérieur à la puissance équivalente d’un onduleur central puisque chaque onduleur doit être installé à côté d’un panneau (généralement sur un toit). Cela les rend également plus difficiles à entretenir et plus coûteux à retirer et à remplacer. Certains fabricants ont résolu ces problèmes avec des panneaux avec micro-onduleurs intégrés.

Un type de technologie similaire à un micro-onduleur est un optimiseur de puissance qui effectue également le suivi du point de puissance maximum au niveau du panneau, mais ne convertit pas en courant alternatif par module.

La description

Onduleur
Les panneaux solaires produisent un courant continu à une tension qui dépend de la conception du module et des conditions d’éclairage. Les modules modernes utilisant des cellules de 6 pouces contiennent généralement 60 cellules et produisent une tension nominale de 24 à 30 V. (les onduleurs sont donc prêts pour 24 à 50 V).

Pour la conversion en courant alternatif, des panneaux peuvent être connectés en série pour produire un réseau qui soit effectivement un grand panneau unique avec une capacité nominale de 300 à 600 VDC. Le courant passe ensuite à un onduleur qui le convertit en tension alternative standard, généralement 230 VAC / 50 Hz ou 240 VAC / 60 Hz.

Le principal problème de l’approche « onduleur de chaîne » est que la chaîne de panneaux agit comme s’il s’agissait d’un seul panneau plus grand avec un courant nominal maximal équivalent à celui de la chaîne le moins performant. Par exemple, si un panneau dans une chaîne présente une résistance de 5% supérieure en raison d’un défaut de fabrication mineur, la chaîne entière subit une perte de performance de 5%. Cette situation est dynamique. Si un panneau est ombré, sa sortie diminue considérablement, affectant la sortie de la chaîne, même si les autres panneaux ne sont pas ombrés. Même de légers changements d’orientation peuvent entraîner une perte de sortie de cette manière. Dans l’industrie, cela s’appelle « l’effet des lumières de Noël », se référant à la manière dont une chaîne entière de lumières de sapin de Noël en série échouera si une seule ampoule tombe en panne. Cependant, cet effet n’est pas tout à fait exact et ignore l’interaction complexe entre le suivi du point de puissance maximum de l’onduleur moderne et même les diodes de dérivation de module. Les études d’ombrage réalisées par les principales sociétés d’optimisation de micro-onduleurs et de DC montrent de faibles gains annuels en conditions d’ombre claire, moyenne et lourde, respectivement 2%, 5% et 8%, par rapport à un onduleur à chaîne plus ancien.

En outre, l’efficacité de la sortie d’un panneau est fortement affectée par la charge que l’onduleur y place. Pour maximiser la production, les onduleurs utilisent une technique appelée suivi du point de puissance maximale pour assurer une récupération optimale de l’énergie en ajustant la charge appliquée. Cependant, les mêmes problèmes qui font varier la sortie d’un panneau à l’autre affectent la charge appropriée que le système MPPT doit appliquer. Si un seul panneau fonctionne à un point différent, un onduleur de chaîne ne peut voir que le changement global et déplace le point MPPT pour correspondre. Cela se traduit non seulement par les pertes du panneau ombré, mais aussi par les autres panneaux. Dans certaines circonstances, l’ombrage de seulement 9% de la surface d’une baie peut réduire la puissance du système jusqu’à 54%. Cependant, comme indiqué ci-dessus, ces pertes de rendement annuelles sont relativement faibles et les nouvelles technologies permettent à certains onduleurs de chaîne de réduire considérablement les effets de l’ombrage partiel.

Un autre problème, même mineur, est que les onduleurs de chaîne sont disponibles dans une sélection limitée de puissances nominales. Cela signifie qu’un tableau donné augmente normalement l’onduleur par rapport au modèle le plus proche par rapport à celui de la matrice de panneaux. Par exemple, une baie de 2300 W à 10 panneaux pourrait devoir utiliser un onduleur de 2500 ou même 3000 W, payant pour la capacité de conversion qu’elle ne peut pas utiliser. Ce même problème rend difficile la modification de la taille du tableau au fil du temps, ajoutant de la puissance lorsque des fonds sont disponibles (modularité). Si le client achetait à l’origine un onduleur de 2 500 W pour ses 2300 W de panneaux, il ne peut même pas ajouter un seul panneau sans surcharger l’onduleur. Cependant, ce surdimensionnement est considéré comme une pratique courante dans l’industrie actuelle (parfois jusqu’à 20% de plus que la classification de la plaque signalétique de l’onduleur) pour tenir compte de la dégradation des modules,

Parmi les autres défis associés aux onduleurs centralisés, citons l’espace requis pour localiser l’appareil, ainsi que les exigences de dissipation thermique. Les grands onduleurs centraux sont généralement refroidis activement. Les ventilateurs de refroidissement font du bruit, donc l’emplacement de l’onduleur par rapport aux bureaux et aux zones occupées doit être pris en compte. Et comme les ventilateurs ont des pièces mobiles, la saleté, la poussière et l’humidité peuvent nuire à leurs performances au fil du temps. Les onduleurs de chaînes sont plus silencieux, mais peuvent produire un bourdonnement en fin d’après-midi lorsque la puissance de l’onduleur est faible.

Micro-onduleur
Les micro-onduleurs sont de petits onduleurs conçus pour gérer la sortie d’un seul panneau. Les panneaux de raccordement modernes sont normalement compris entre 225 et 275 W, mais produisent rarement ce résultat dans la pratique, de sorte que les micro-onduleurs sont généralement classés entre 190 et 220 W (quelques uns, 100 W). Parce qu’il fonctionne à ce point de puissance inférieur, de nombreux problèmes de conception inhérents aux conceptions plus grandes disparaissent tout simplement; la nécessité d’un grand transformateur est généralement éliminée, les condensateurs électrolytiques de grande taille peuvent être remplacés par des condensateurs à couche mince plus fiables, et les charges de refroidissement sont réduites, de sorte qu’aucun ventilateur n’est nécessaire. Le temps moyen entre pannes (MTBF) est indiqué sur des centaines d’années.

Plus important encore, un micro-onduleur attaché à un seul panneau lui permet d’isoler et de régler la sortie de ce panneau. Par exemple, dans le même tableau à 10 panneaux utilisé comme exemple ci-dessus, avec les micro-onduleurs, tout panneau peu performant n’a aucun effet sur les panneaux qui l’entourent. Dans ce cas, la baie dans son ensemble produit jusqu’à 5% de puissance de plus qu’avec un onduleur de chaîne. Lorsque l’observation est prise en compte, si elle est présente, ces gains peuvent être considérables, les fabricants revendiquant généralement un rendement supérieur de 5% au minimum et jusqu’à 25% de mieux dans certains cas. De plus, un seul modèle peut être utilisé avec une grande variété de panneaux, de nouveaux panneaux peuvent être ajoutés à un tableau à tout moment et ne doivent pas nécessairement avoir les mêmes caractéristiques que les panneaux existants.

Parfois, deux panneaux solaires sont attachés aux mêmes micro-onduleurs (duo micro-onduleur). La puissance qui entre dans le micro-onduleur est alors supérieure ou égale à 600 W et 24 V (c’est-à-dire que deux panneaux solaires de 12 V peuvent être assemblés). Le micro-onduleur convertit ensuite l’alimentation fournie par le ou les panneaux solaires en tension alternative standard, généralement 230 VCA / 50 Hz ou 240 VCA / 60 Hz. La taille typique de ce micro-onduleur est: 22×16.4×5.2cm / 8.66×6.46×2.05 « .

Comme nous l’avons déjà dit, les micro-onduleurs produisent une puissance d’adaptation de grille directement à l’arrière du panneau (220 V). Les tableaux de panneaux sont connectés en parallèle les uns aux autres, puis à la grille. Cela présente l’avantage majeur qu’un seul panneau ou onduleur défaillant ne peut pas déconnecter l’intégralité de la chaîne. Combinés à des charges énergétiques et thermiques plus faibles et à un MTBF amélioré, certains suggèrent que la fiabilité globale d’un système basé sur un micro-onduleur est nettement supérieure à celle d’un système basé sur un onduleur. Cette affirmation est appuyée par des garanties plus longues, généralement de 15 à 25 ans, par rapport à des garanties de 5 ou 10 ans, plus courantes pour les onduleurs de chaîne. De plus, lorsque des erreurs surviennent, elles sont identifiables à un seul point, contrairement à une chaîne entière. Cela permet non seulement d’isoler les erreurs plus facilement, mais également de résoudre les problèmes mineurs qui pourraient ne pas être visibles autrement. Un seul panneau peu performant risque de ne pas affecter suffisamment la sortie d’une longue chaîne pour être détecté.

Désavantages
Le principal inconvénient du concept de micro-onduleur était, jusqu’à récemment, le coût. Étant donné que chaque micro-onduleur doit dupliquer une grande partie de la complexité d’un onduleur de chaîne, mais qu’il se répartit sur une plus petite puissance, les coûts par watt sont plus élevés. Cela compense tout avantage en termes de simplification des composants individuels. En octobre 2010, un onduleur central coûtait environ 0,40 dollar par watt, alors qu’un micro-onduleur coûtait environ 0,52 dollar par watt. À l’instar des onduleurs à cordes, les considérations économiques obligent les fabricants à limiter le nombre de modèles qu’ils produisent. La plupart produisent un modèle unique qui peut être surdimensionné ou trop petit lorsqu’il est associé à un panneau spécifique.

Dans de nombreux cas, l’emballage peut avoir un effet significatif sur le prix. Avec un onduleur central, vous ne pouvez avoir qu’un seul ensemble de connexions de panneau pour des dizaines de panneaux, une seule sortie CA et une seule boîte. Avec les micro-onduleurs, chacun doit avoir son propre ensemble d’entrées et de sorties, dans sa propre boîte. Parce que cette boîte est sur le toit, elle doit être scellée et protégée contre les intempéries. Cela peut représenter une partie importante du prix global par watt.

Pour réduire davantage les coûts, certains modèles contrôlent deux ou trois panneaux à partir d’un seul boîtier, réduisant ainsi l’emballage et les coûts associés. Certains systèmes placent simplement deux micros entiers dans une seule boîte, tandis que d’autres ne dupliquent que la section MPPT du système et utilisent un seul étage CC-CA pour réduire davantage les coûts. Certains ont suggéré que cette approche rendrait les micro-onduleurs comparables en coût à ceux utilisant des onduleurs à cordes. Avec la baisse constante des prix, l’introduction de doubles micro-onduleurs et l’avènement de sélections de modèles plus larges pour mieux adapter la production des modules PV, le coût est un obstacle moins important, de sorte que les micro-onduleurs peuvent désormais se propager plus largement.

Les micro-onduleurs sont devenus courants lorsque les tailles de baies sont petites et que l’optimisation des performances de chaque panneau est un problème. Dans ces cas, la différence de prix par watt est réduite en raison du petit nombre de panneaux et a peu d’effet sur le coût global du système. L’amélioration de la récolte d’énergie à partir d’un réseau de taille fixe peut compenser cette différence de coût. Pour cette raison, les micro-onduleurs ont eu le plus de succès sur le marché résidentiel, où l’espace limité pour les panneaux limite la taille du réseau, et l’ombrage des arbres ou autres objets à proximité pose souvent problème. Les fabricants de micro-onduleurs répertorient de nombreuses installations, certaines aussi petites qu’un seul panneau et la plupart d’entre elles de moins de 50 ans.

Un inconvénient souvent négligé des micro-onduleurs réside dans les coûts de fonctionnement et de maintenance futurs qui y sont associés. Bien que la technologie se soit améliorée au fil des ans, il n’en reste pas moins que les appareils finiront par échouer ou s’user. L’installateur doit équilibrer ces coûts de remplacement (environ 400 $ par rouleau de camion), les risques accrus pour la sécurité du personnel, de l’équipement et du stockage des modules par rapport aux marges bénéficiaires de l’installation. Pour les propriétaires, l’usure éventuelle ou les défaillances prématurées des appareils entraîneront des dommages potentiels aux tuiles ou aux bardeaux, aux dommages matériels et à d’autres nuisances.

Avantages
Bien que les micro-onduleurs aient généralement une efficacité inférieure à celle des onduleurs à cordes, l’efficacité globale est accrue du fait que chaque onduleur / panneau agit de manière indépendante. Dans une configuration de chaîne, lorsqu’un panneau sur une chaîne est ombré, la sortie de la chaîne de panneaux entière est réduite à la sortie du panneau produisant le plus bas. Ce n’est pas le cas avec les micro-onduleurs.

Un autre avantage réside dans la qualité de sortie du panneau. La production nominale de deux panneaux dans le même cycle de production peut varier de 10% ou plus. Ceci est atténué avec une configuration de chaîne mais pas dans une configuration de micro-onduleur. Le résultat est une récupération maximale de la puissance d’un réseau de micro-onduleurs.

La surveillance et la maintenance sont également plus faciles car de nombreux producteurs de micro-onduleurs fournissent des applications ou des sites Web pour surveiller la puissance de sortie de leurs unités. Dans de nombreux cas, ceux-ci sont propriétaires; Cependant, ce n’est pas toujours le cas. À la suite de la disparition d’Enecsys et de la fermeture de leur site; Un certain nombre de sites privés, tels que Enecsys-Monitoring, ont vu le jour pour permettre aux propriétaires de continuer à surveiller leurs systèmes.

Micro-inverseurs triphasés
Une conversion efficace de l’alimentation en courant continu en courant alternatif nécessite que l’onduleur stocke l’énergie du panneau alors que la tension alternative du réseau est proche de zéro, puis la relâche à nouveau lorsqu’elle se lève. Cela nécessite des quantités considérables de stockage d’énergie dans un petit emballage. Le condensateur électrolytique est l’option la moins coûteuse pour la quantité de stockage requise, mais ceux-ci ont des durées de vie relativement courtes mesurées en années, et ces durées de vie sont plus courtes lorsqu’elles sont utilisées à chaud, comme sur un panneau solaire sur toit. Cela a conduit à des efforts de développement considérables de la part des développeurs de micro-onduleurs, qui ont introduit une variété de topologies de conversion avec des exigences de stockage réduites, certaines utilisant des condensateurs à couches minces beaucoup moins durables mais beaucoup plus durables.

Le courant électrique triphasé représente une autre solution au problème. Dans un circuit triphasé, la puissance ne varie pas entre (par exemple) +120 à -120 volts entre deux lignes, mais varie entre 60 et +120 ou -60 et -120V, et les périodes de variation sont beaucoup plus courtes. Les onduleurs conçus pour fonctionner sur des systèmes triphasés nécessitent beaucoup moins de stockage. Un micro triphasé utilisant une commutation à tension nulle peut également offrir une densité de circuit plus élevée et des composants moins coûteux, tout en améliorant l’efficacité de conversion à plus de 98%, mieux que le pic monophasé typique autour de 96%.

Les systèmes triphasés, cependant, ne sont généralement visibles que dans les environnements industriels et commerciaux. Ces marchés installent normalement des baies plus grandes, où la sensibilité aux prix est la plus élevée. L’absorption de micros triphasés, malgré des avantages théoriques, semble être très faible.

protection
La protection des micro-onduleurs comprend généralement: anti-îlotage; court-circuit; polarité inversée; basse tension; surtension et surchauffe.

Utilisations portables
Un panneau solaire pliable avec micro-onduleurs AC peut être utilisé pour recharger les ordinateurs portables et certains véhicules électriques.

Histoire
Le concept de micro-onduleur a été dans l’industrie solaire depuis sa création. Cependant, les coûts forfaitaires de fabrication, tels que le coût du transformateur ou de l’enceinte, s’élargissaient favorablement par rapport à la taille et signifiaient que les appareils plus gros étaient intrinsèquement moins chers en termes de prix par watt. Les petits onduleurs étaient disponibles auprès de sociétés comme ExelTech et d’autres, mais il s’agissait simplement de petites versions de conceptions plus grandes avec des performances médiocres et destinées à des marchés de niche.

Premiers exemples
En 1991, la société américaine Ascension Technology a commencé à travailler sur ce qui était essentiellement une version réduite d’un onduleur traditionnel, destinée à être montée sur un panneau pour former un panneau AC. Cette conception était basée sur le régulateur linéaire conventionnel, qui n’est pas particulièrement efficace et dissipe une chaleur considérable. En 1994, ils ont envoyé un exemple à Sandia Labs pour des tests. En 1997, Ascension s’est associé à la société américaine ASE Americas pour présenter le panneau SunSine de 300 watts.

La conception de ce qui serait aujourd’hui reconnu comme un « véritable » micro-onduleur, retrace son histoire jusqu’à la fin des années 1980 chez Werner Kleinkauf à l’ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik), aujourd’hui Institut Fraunhofer pour la technologie de l’énergie éolienne et des systèmes énergétiques. Ces conceptions reposaient sur une technologie moderne d’alimentation à découpage haute fréquence, beaucoup plus efficace. Ses travaux sur les « convertisseurs intégrés de modules » ont eu une grande influence, notamment en Europe.

En 1993, Mastervolt a présenté son premier onduleur réseau, le Sunmaster 130S, basé sur une collaboration entre Shell Solar, Ecofys et ECN. Le 130 a été conçu pour être monté directement à l’arrière du panneau, reliant les lignes CA et CC avec des raccords à compression. En 2000, le 130 a été remplacé par le Soladin 120, un micro-onduleur sous la forme d’un adaptateur secteur permettant de connecter les panneaux en les branchant simplement à une prise murale.

En 1995, OKE-Services a conçu une nouvelle version haute fréquence à efficacité améliorée, commercialisée sous le nom de OK4-100 en 1995 par NKF Kabel, et renommée pour les ventes aux États-Unis sous le nom de Trace Microsine. Une nouvelle version, le OK4All, améliore l’efficacité et présente des plages de fonctionnement plus larges.

Malgré ce début prometteur, en 2003, la plupart de ces projets avaient pris fin. Ascension Technology a été acheté par Applied Power Corporation, un grand intégrateur. APC a été à son tour achetée par Schott en 2002 et la production de SunSine a été annulée en faveur des conceptions existantes de Schott. NKF a mis fin à la production de la série OK4 en 2003 lorsqu’un programme de subvention a pris fin. Mastervolt est passé à une gamme de « mini-onduleurs » combinant la facilité d’utilisation du 120 dans un système conçu pour supporter jusqu’à 600 W de panneaux.

Enphase
À la suite du crash des télécommunications en 2001, Martin Fornage de Cerent Corporation était à la recherche de nouveaux projets. Quand il a vu la faible performance de l’onduleur à chaîne pour le générateur solaire sur son ranch, il a trouvé le projet qu’il cherchait. En 2006, il a créé Enphase Energy (maintenant intégré à Siemens) avec un autre ingénieur de Cerent, Raghu Belur, et ils ont passé l’année suivante à appliquer leur expertise en conception de télécommunications au problème des onduleurs.

Sorti en 2008, le modèle Enphase M175 était le premier micro-onduleur à succès commercial. Un successeur, le M190, a été introduit en 2009 et le dernier modèle, le M215, en 2011. Soutenu par 100 millions de dollars de capital investissement, Enphase a rapidement atteint 13% de parts de marché à la mi-2010. . Ils ont livré leur 500 000ème onduleur début 2011 et leur 1 000 000e en septembre de la même année. Au début de 2011, ils ont annoncé que les versions repensées du nouveau design seraient vendues directement par Siemens aux entrepreneurs en électricité pour une distribution à grande échelle.

Enphase a signé un accord avec EnergyAustralia pour commercialiser sa technologie de micro-onduleurs.

Acteurs majeurs
Le succès d’Enphase n’est pas passé inaperçu et depuis 2010, de nombreux concurrents sont apparus. Beaucoup d’entre eux sont identiques aux spécifications du M190, et même au boîtier et aux détails de montage. Certains se différencient en rivalisant avec Enphase en termes de prix ou de performance, tandis que d’autres s’attaquent aux marchés de niche.

Les grandes entreprises ont également fait leur entrée sur le marché: SMA, Enecsys et iEnergy.

Le produit OK4-All mis à jour par OKE-Services a récemment été acheté par SMA et commercialisé sous le nom de SunnyBoy 240 après une longue période de gestation. Power-One a introduit les AURORA 250 et 300. Enecsys et SolarBridge marché. Le seul micro-onduleur fabriqué aux États-Unis provient de Chilicon Power. Depuis 2009, plusieurs entreprises d’Europe et de Chine, y compris les principaux fabricants d’onduleurs centraux, ont lancé des micro-onduleurs, validant le micro-onduleur comme une technologie établie et l’un des plus grands changements technologiques de l’industrie photovoltaïque ces dernières années.

APsystems commercialise des onduleurs pour quatre modules solaires au maximum, des micro-onduleurs, y compris le YP1000 triphasé avec une sortie CA allant jusqu’à 900 Watt.

En 2018, on dénombre 19 fabricants de micro-onduleurs dans le monde: Apparent, Delta, Sparq, Kaco, ABB, convertisseur de réseau, GreenRay Solar, Azuray Technologies, Petra Solar, réseau direct, Solar Solar, OKE / SMA, Exeltech, National Semiconductor, Larankelo, Enphase, APsystems, Northern Electric & Power (Northernep / NEP), ReneSola (Micro Replus), SolarEpic, SWEA et Plug & Power.

Il existe une liste croissante de grandes sociétés photovoltaïques du monde entier qui se sont associées à des sociétés de micro-onduleurs pour produire et vendre des panneaux solaires AC, notamment Trina Solar, BenQ, LG, Canadian Solar, Suntech, Sun et autres. ceux qui ne font que rejoindre.

Prix ​​décroissant
La période comprise entre 2009 et 2012 comprenait des mouvements de prix à la baisse sans précédent sur le marché du photovoltaïque. Au début de cette période, les panneaux se situaient généralement entre 2,00 et 2,50 $ / W et les onduleurs, entre 50 et 65 cents / W. À la fin de 2012, les panneaux étaient largement disponibles dans le commerce de gros entre 65 et 70 cents, et les onduleurs à chaînes environ 30 à 35 cents / W. En comparaison, les micro-onduleurs se sont révélés relativement insensibles à ces mêmes baisses de prix, passant d’environ 65 cents / W à 50 à 55 une fois le câblage pris en compte, ce qui pourrait entraîner une augmentation des pertes.

Néanmoins, en 2018, certains onduleurs DC 12/24 V à AC 110 / 220V sont vendus à 0,06 $ / W (soit un micro-onduleur de 100 W à 6,81 $).